DE102014212936A1

DE102014212936A1 - Device and method for providing a charging voltage

Info

Publication number: DE102014212936A1
Application number: DE102014212936.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Gottheit; Dragan Mikulec
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-01-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zum Bereitstellen einer Ladespannung mit
– einem ersten Batteriemodul (21) zum Bereitstellen einer Batteriemodulgleichspannung (U_M) und
– zumindest einem ersten Spannungswandlungsmodul (30) mit einer Eingangsseite, an welche das erste Batteriemodul (21) angeschlossen ist, und einer Ausgangsseite, an welche eine elektrische Maschine (25) anschließbar ist,
– wobei das erste Spannungswandlungsmodul (30) dazu ausgebildet ist, die von dem ersten Batteriemodul (21) bereitgestellte Batteriemodulgleichspannung (U_M) in eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine (25) zu wandeln, wobei
– eine Ladeeinrichtung (10) zum Bereitstellen einer Ladewechselspannung und
– eine erste Schalteinrichtung (26) zum elektrischen Verbinden der Ladeeinrichtung (10) mit der Ausgangsseite des ersten Spannungswandlungsmoduls (30), wobei
– das Spannungswandlungsmodul (30) dazu ausgebildet ist, die von der Ladeeinrichtung (10) bereitgestellte Ladewechselspannung in eine Ladegleichspannung zum Laden des ersten Batteriemoduls (21) umzuwandeln. The invention relates to a device (2) for providing a charging voltage with
- A first battery module (21) for providing a battery module DC voltage (U _M ) and
- At least a first voltage conversion module (30) having an input side to which the first battery module (21) is connected, and an output side to which an electrical machine (25) is connectable,
- wherein the first voltage conversion module (30) is adapted to convert the battery module DC voltage (U _M ) provided by the first battery module (21) into an AC voltage for operating the electrical machine (25)
- A charging device (10) for providing a charging AC voltage and
- A first switching device (26) for electrically connecting the charging device (10) to the output side of the first voltage conversion module (30), wherein
- The voltage conversion module (30) is adapted to convert the charging device (10) provided by the AC charging voltage into a DC charging voltage for charging the first battery module (21).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Ladespannung mit einem ersten Batteriemodul zum Bereitstellen einer Batteriemodulgleichspannung und zumindest einem ersten Spannungswandlungsmodul mit einer Eingangsseite, an welcher das erste Batteriemodul angeschlossen ist, und eine Ausgangsseite, an welche eine elektrische Maschine anschließbar ist, wobei das erste Spannungswandlungsmodul dazu ausgebildet ist, die von dem ersten Batteriemodul bereitgestellte Batteriemodulgleichspannung in eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine zu wandeln. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. The invention relates to a device for providing a charging voltage with a first battery module for providing a battery module DC voltage and at least a first voltage conversion module having an input side to which the first battery module is connected, and an output side to which an electrical machine can be connected, wherein the first voltage conversion module is configured to convert the battery module DC voltage provided by the first battery module into an AC voltage for operating the electric machine. The invention also relates to a method of operating the device.

Ein elektrischer Energiespeicher, welcher beispielsweise als Batteriesystem ausgebildet sein kann, dient zum Bereitstellen von elektrischer Energie, mit welcher elektrische Verbraucher, beispielsweise elektrische Maschinen, versorgt werden können. Solche elektrische Maschinen, beispielsweise Elektromotoren, können in Kraftfahrzeugen angeordnet sein und dazu dienen, das Kraftfahrzeug anzutreiben. An electrical energy store, which can be designed, for example, as a battery system, serves to provide electrical energy with which electrical consumers, for example electrical machines, can be supplied. Such electrical machines, such as electric motors, may be arranged in motor vehicles and serve to drive the motor vehicle.

Um die elektrischen Energiespeicher zu laden, sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Ladeeinrichtungen für das induktive Laden bekannt. Das induktive Laden ist eine Methode zur kontaktlosen Energieübertragung. In order to charge the electrical energy storage, for example, charging devices for inductive charging are known from the prior art. Inductive charging is a method for contactless energy transfer.

Eine Anordnung zum induktiven Laden gemäß dem Stand der Technik ist in 1 gezeigt. Dabei wird ein Batteriesystem 20 eines Kraftfahrzeugs 1 mittels einer Ladeeinrichtung 10 geladen. Die Ladeeinrichtung 10 umfasst eine Transformatoreinrichtung 11 mit einer Primärseite 12, insbesondere einer Primärspule, und einer Sekundärseite 13, insbesondere einer Sekundärspule. Üblicherweise ist die Primärseite 12 einer Ladestation und die Sekundärseite 13 einem Kraftfahrzeugs 1 zugeordnet. Die Primärseite 12 und die Sekundärseite 13 sind somit galvanisch voneinander getrennt. Um nun das Batteriesystem 20 beispielsweise eines Kraftfahrzeugs 1, welches sich an der Ladestation befindet, zu laden, wird der Primärspule 12 über ein Ladekabel 15, welches an eine Wallbox 14 angeschlossen ist, Energie zugeführt. Die Wallbox 14 stellt in der Regel die Steckverbindung für das Ladekabel 15 und die Verbindung zum Stromnetz zur Verfügung. Die Primärspule 12 überträgt die zugeführte Energie berührungslos an die Sekundärspule 13, indem in der Sekundärspule 13 eine Wechselspannung induziert wird. Diese Wechselspannung wird einem AC/DC-Wandler 16 zugeführt, welcher die Wechselspannung in eine Gleichspannung zum Laden des Batteriesystems 20 umwandelt. An arrangement for inductive charging according to the prior art is in 1 shown. This is a battery system 20 of a motor vehicle 1 by means of a charging device 10 loaded. The charging device 10 includes a transformer device 11 with a primary page 12 , in particular a primary coil, and a secondary side 13 , in particular a secondary coil. Usually, the primary page 12 a charging station and the secondary side 13 a motor vehicle 1 assigned. The primary side 12 and the secondary side 13 are thus galvanically separated from each other. Order now the battery system 20 for example, a motor vehicle 1 , which is located at the charging station to charge, is the primary coil 12 via a charging cable 15 which is attached to a wallbox 14 connected, energy is supplied. The wallbox 14 usually provides the connector for the charging cable 15 and the connection to the mains supply available. The primary coil 12 transmits the supplied energy contactlessly to the secondary coil 13 by putting in the secondary coil 13 an alternating voltage is induced. This AC voltage becomes an AC / DC converter 16 which feeds the AC voltage into a DC voltage for charging the battery system 20 transforms.

Der Energiefluss erfolgt dabei entweder direkt von dem AC/DC-Wandler 16 zu dem Batteriesystem 20 (var1) oder über ein Batteriemanagementsystem 17, welches über einen Kommunikationsbus 18 mit dem Batteriesystem 20 kommunizieren kann (var2). The energy flow takes place either directly from the AC / DC converter 16 to the battery system 20 (var1) or via a battery management system 17 , which via a communication bus 18 with the battery system 20 can communicate (var2).

Die Anordnung gemäß dem Stand der Technik besitzt den Nachteil, dass der AC/DC-Wandler 16 üblicherweise in der Sekundärspule 13 verbaut ist. Diese Realisierung ist aufgrund des begrenzten Bauraums im Kraftfahrzeug technisch sehr aufwändig. Außerdem erfolgt die Wärmeabfuhr des AC/DC-Wandlers 16 durch thermische Konvektion. Aufgrund der strengen Bauraumvorgaben durch die Automobilhersteller kommt es bei hohen Ladeleistungen zur bekannten Entwärmungsproblematik. Das Entwärmungsproblem wird üblicherweise dadurch gelöst, dass für die Halbleiterschalter, welche der AC/DC-Wandler 16 aufweist, Halbleitermaterialien wie beispielsweise Siliziumkarbid zum Einsatz kommen. Halbleiterbauelemente aus Siliziumkarbid erzeugen eine geringere Verlustleistung, sind aber gewöhnlich teurer als herkömmliche Silizium-Halbleiterbauelemente. The arrangement according to the prior art has the disadvantage that the AC / DC converter 16 usually in the secondary coil 13 is installed. This realization is technically very complicated due to the limited installation space in the motor vehicle. In addition, the heat dissipation of the AC / DC converter takes place 16 by thermal convection. Due to the strict space requirements by the car manufacturer, it comes with high charging power to the known Entwärmungsproblematik. The Entwärmungsproblem is usually solved by the fact that for the semiconductor switches, which the AC / DC converter 16 has, semiconductor materials such as silicon carbide are used. Silicon carbide semiconductor devices provide lower power dissipation, but are usually more expensive than conventional silicon semiconductor devices.

Alternativ kann der benannte AC/DC-Wandler auch in ein separates Gebäude verbaut werden, wodurch der Verkabelungsaufwand sowie die Bauteilkosten steigen. Alternatively, the named AC / DC converter can also be installed in a separate building, which increases the cabling and component costs.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine platzsparende und kostengünstige Vorrichtung zum Laden eines Batteriesystems zu realisieren. It is an object of the present invention to realize a space-saving and cost-effective device for charging a battery system.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und der Figuren. This object is achieved by a device, a motor vehicle and a method having the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum Bereitstellen einer Ladespannung. Die Vorrichtung umfasst ein erstes Batteriemodul zum Bereitstellen einer Batteriemodulgleichspannung und zumindest ein erstes Spannungswandlungsmodul mit einer Eingangsseite, an welche das erste Batteriemodul angeschlossen ist, und eine Ausgangsseite, an welche eine elektrische Maschine anschließbar ist, wobei das erste Spannungswandlungsmodul dazu ausgebildet ist, die von dem ersten Batteriemodul bereitgestellte Batteriemodulgleichspannung in eine Wechselspannung zum Betreiben der elektrischen Maschine zu wandeln, und wobei die Vorrichtung eine Ladeeinrichtung zum Bereitstellen einer Ladewechselspannung und eine erste Schalteinrichtung zum elektrischen Verbinden der Ladeeinrichtung mit der Ausgangsseite des ersten Spannungswandlungsmoduls aufweist, wobei das Spannungswandlungsmodul dazu ausgebildet ist, die von der Ladeeinrichtung bereitgestellte Ladewechselspannung in eine Ladegleichspannung zum Laden des ersten Batteriemoduls zu wandeln. The device according to the invention serves to provide a charging voltage. The device comprises a first battery module for providing a battery module DC voltage and at least a first voltage conversion module having an input side to which the first battery module is connected, and an output side to which an electrical machine can be connected, wherein the first voltage conversion module is adapted to that of the the first battery module provided in a DC voltage for operating the electric machine, and wherein the device comprises a charging device for providing a charging AC voltage and a first switching device for electrically connecting the charging device to the output side of the first voltage conversion module wherein the voltage conversion module is configured to convert the charging AC voltage provided by the charging device into a DC charging voltage for charging the first battery module.

Mit anderen Worten bedeutet dies, dass ein erstes Batteriemodul mit einem ersten Spannungswandlungsmodul elektrisch verbunden ist, sodass eine an die Ausgangsseite des Spannungswandlungsmoduls anschließbare elektrische Maschine in einem Motorbetrieb mit Energie versorgbar ist. Die Energie wird von dem Batteriemodul als Batteriemodulgleichspannung bereitgestellt und über das Spannungswandlungsmodul in eine Wechselspannung zur Versorgung der elektrischen Maschine umgewandelt. Um das Batteriemodul zu laden, wird nun mittels der Schalteinrichtung eine Ladeeinrichtung derart an die Ausgangsseite des Spannungswandlungsmoduls angeschlossen, dass ein Energiefluss von der Ladeeinrichtung über das Spannungswandlungsmodul zum angeschlossenen Batteriemodul erfolgen kann. Dabei ist das Spannungswandlungsmodul dazu ausgebildet, die von der Ladeeinrichtung bereitgestellte Ladewechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln, welche dem Batteriemodul zum Laden des Batteriemoduls zugeführt werden kann. Da das Spannungswandlungsmodul in der erfindungsgemäßen Vorrichtung bidirektional betrieben werden kann, ergibt sich der Vorteil, dass der AC/DC-Wandler, welcher gemäß dem Stand der Technik zum Wandeln der Ladewechselspannung vorgesehen ist, nicht mehr benötigt wird und somit entfallen kann. Dies spart Bauraum und reduziert die Systemkosten, da die teuren Halbleiterschalter, welche aufgrund der Entwärmungsproblematik in dem AC/DC-Wandler verbaut sind, ebenfalls nicht mehr benötigt werden. In other words, this means that a first battery module is electrically connected to a first voltage conversion module, so that an electrical machine that can be connected to the output side of the voltage conversion module can be supplied with energy in a motor operation. The energy is provided by the battery module as a battery module DC voltage and converted via the voltage conversion module into an AC voltage for supplying the electric machine. In order to charge the battery module, a charging device is now connected by means of the switching device to the output side of the voltage conversion module such that an energy flow can take place from the charging device via the voltage conversion module to the connected battery module. In this case, the voltage conversion module is designed to convert the charging AC voltage provided by the charging device into a DC voltage, which can be supplied to the battery module for charging the battery module. Since the voltage conversion module can be operated bidirectionally in the device according to the invention, there is the advantage that the AC / DC converter, which is provided according to the prior art for converting the AC voltage, is no longer needed and thus can be omitted. This saves space and reduces system costs, since the expensive semiconductor switches, which are installed due to the Entwärmungsproblematik in the AC / DC converter, are also no longer needed.

Besonders bevorzugt weist die Ladeeinrichtung eine Transformatoreinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, über Induktion eine Ladewechselspannung zum Laden des ersten Batteriemoduls bereitzustellen. Die von der Transformatoreinrichtung bereitgestellte Ladewechselspannung kann über die Schalteinrichtung dem Spannungswandlungsmodul zugeführt werden. Das Spannungswandlungsmodul wandelt die Ladewechselspannung in eine Gleichspannung zum Laden des Batteriemoduls. Somit kann mittels der Vorrichtung ein berührungsloses Ladeverfahren bereitgestellt werden. Particularly preferably, the charging device has a transformer device, which is designed to provide a charging AC voltage for charging the first battery module via induction. The charging AC voltage provided by the transformer device can be supplied to the voltage conversion module via the switching device. The voltage conversion module converts the charging AC voltage into a DC voltage for charging the battery module. Thus, by means of the device, a non-contact charging method can be provided.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erste Schalteinrichtung wenigstens ein Schaltelement auf, welches dazu ausgelegt ist, in einer ersten Schalterposition einen Energiefluss von dem ersten Batteriemodul zur elektrischen Maschine zum Betreiben der elektrischen Maschine bereitzustellen und in einer zweiten Schalterposition einen Energiefluss von dem Ladesystem zu dem ersten Batteriemodul zum Laden des ersten Batteriemoduls bereitzustellen. Dies bedeutet, dass mittels des zumindest einen Schaltelements auf besonders einfache und flexible Weise zwei Betriebsarten bereitgestellt werden können. In einer ersten Schalterposition wird ein Motorbetrieb realisiert, in welchem die elektrische Maschine über das Spannungswandlungsmodul mit der von dem Batteriemodul bereitgestellten Energie versorgt werden kann. In einer zweiten Schalterposition wird ein Ladebetrieb realisiert, in welchem die Ladevorrichtung Energie zum Laden des Batteriemoduls bereitstellt. In a preferred embodiment, the first switching device has at least one switching element which is designed to provide a flow of energy from the first battery module to the electric machine for operating the electric machine in a first switch position and a flow of energy from the charging system to the first in a second switch position To provide battery module for charging the first battery module. This means that two operating modes can be provided in a particularly simple and flexible manner by means of the at least one switching element. In a first switch position, a motor operation is realized, in which the electric machine can be supplied via the voltage conversion module with the energy provided by the battery module. In a second switch position, a charging operation is realized in which the charging device provides energy for charging the battery module.

Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, das zumindest eine Schaltelement anzusteuern. In einer ersten Schalterposition befindet sich die elektrische Maschine in einem Motorbetrieb und wird mit elektrischer Energie aus dem Batteriemodul versorgt. Wenn nun ein kritischer Ladezustand des Batteriemoduls erreicht ist, in welchem die elektrische Energie des Batteriemoduls nicht mehr ausreicht, um die elektrische Maschine mit Energie zu versorgen, kann dem Batteriemodul Ladeenergie zugeführt werden. Das erste Batteriemodul und das erste Spannungswandlungsmodul können beispielsweise in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein und dazu dienen, eine elektrische Maschine, welche beispielweise das Kraftfahrzeug antreibt, mit Energie zu versorgen. Es kann vorgesehen sein, dass das Kraftfahrzeug an einer Ladestation aufgeladen werden kann, sobald ein kritischer Ladezustand erreicht ist. Die Steuereinrichtung kann nun beispielsweise dazu ausgebildet sein, zu erkennen, dass sich das Kraftfahrzeug an einer Ladestation befindet, und das erste Schaltelement derart ansteuern, dass es die zweite Schalterposition, welche einen Ladebetrieb bereitstellt, einnimmt. Particularly preferably, the device has a control device which is designed to control the at least one switching element. In a first switch position, the electric machine is in a motor mode and is supplied with electrical energy from the battery module. Now, when a critical state of charge of the battery module is reached, in which the electrical energy of the battery module is no longer sufficient to supply the electrical machine with energy, the battery module charging energy can be supplied. The first battery module and the first voltage conversion module can be arranged, for example, in a motor vehicle and serve to supply an electrical machine which, for example, drives the motor vehicle with energy. It can be provided that the motor vehicle can be charged at a charging station, as soon as a critical state of charge is reached. The control device can now be designed, for example, to recognize that the motor vehicle is located at a charging station, and to control the first switching element in such a way that it adopts the second switch position which provides a charging operation.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zumindest ein zweites Batteriemodul aufweist, an welches ein zweites Spannungswandlungsmodul anschließbar ist. Die Vorrichtung kann somit um weitere Batteriemodule sowie Spannungswandlungsmodule erweitert werden, falls beispielsweise eine größere Menge an Energie zum Betreiben einer und/oder mehrerer elektrischer Maschinen benötigt wird. Die Vorrichtung ist also in der Spannungshöhe skalierbar. It can be provided that the device has at least a second battery module, to which a second voltage conversion module can be connected. The device can thus be extended by further battery modules and voltage conversion modules, for example, if a larger amount of energy for operating one and / or more electrical machines is needed. The device is therefore scalable in the voltage level.

Es kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Koppeleinrichtung zum seriellen elektrischen Verbinden des ersten und des zumindest einen zweiten Batteriemoduls und/oder zum galvanischen Trennen des ersten und des zumindest einen zweiten Batteriemoduls aufweist. Durch das serielle elektrische Verbinden der zumindest zwei Batteriemodule mittels der Koppeleinrichtung kann eine höhere Gesamtspannung erreicht werden, welche sich aus der Summe der von den zumindest zwei Batteriemodulen bereitgestellten Batteriemodulgleichspannungen ergibt. Durch das galvanische Trennen der zumindest zwei Batteriemodule mittels der Koppeleinrichtung können unerwünschte Störeinkopplungen zwischen den an die Batteriemodule angeschlossenen Spannungswandlungsmodulen vermieden werden. It can be provided that the device has a coupling device for the serial electrical connection of the first and the at least one second battery module and / or for the galvanic separation of the first and the at least one second battery module. By the serial electrical connection of the at least two battery modules by means of the coupling device, a higher total voltage can be achieved, which is the sum of the battery module direct voltages provided by the at least two battery modules results. By electrically isolating the at least two battery modules by means of the coupling device, undesired interference couplings between the voltage conversion modules connected to the battery modules can be avoided.

In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine zweite Schalteinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, das erste und das zumindest eine zweite Batteriemodul elektrisch mit der Eingangsseite des ersten Spannungswandlungsmoduls zu verbinden. Dadurch können das erste und das zumindest eine zweite Batteriemodul mittels der Ladeeinrichtung geladen werden. In einem Ladebetrieb befindet sich dazu das Schaltelement der ersten Schalteinrichtung in der zweiten Schalterposition, und die zweite Schalteinrichtung verbindet das erste Batteriemodul und das zumindest eine zweite Batteriemodul mit der Eingangsseite des ersten Spannungswandlungsmoduls. Die Ladewechselspannung, welche dem Spannungswandlungsmodul mittels der Ladeeinrichtung zugeführt wird, wird von dem Spannungswandlungsmodul in eine Gleichspannung umgewandelt und allen an das erste Spannungswandlungsmodul angeschlossenen Batteriemodulen als Ladegleichspannung zugeführt. Somit kann auf besonders einfache Weise durch Nutzung nur eines Spannungswandlungsmoduls ein Batteriesystem, welches beispielsweise eine Serienschaltung von mehreren Batteriemodulen umfasst, geladen werden. In an embodiment, it is provided that the device has a second switching device which is designed to electrically connect the first and the at least one second battery module to the input side of the first voltage conversion module. As a result, the first and the at least one second battery module can be charged by means of the charging device. In a charging operation, the switching element of the first switching device is in the second switch position, and the second switching device connects the first battery module and the at least one second battery module to the input side of the first voltage conversion module. The charging AC voltage, which is supplied to the voltage conversion module by means of the charging device, is converted into a DC voltage by the voltage conversion module and supplied to all battery modules connected to the first voltage conversion module as DC charging voltage. Thus, in a particularly simple manner, by using only one voltage conversion module, a battery system, which comprises, for example, a series connection of a plurality of battery modules, can be charged.

Besonders bevorzugt weist das erste und/oder das zumindest eine zweite Batteriemodul eine Trenneinrichtung auf, welche dazu ausgelegt ist, das erste Batteriemodul von dem ersten Spannungswandlungsmodul galvanisch zu trennen und/oder das zumindest eine zweite Batteriemodul von dem zumindest einen zweiten Spannungswandlungsmodul galvanisch zu trennen. Somit können die Spannungswandlungsmodule und damit die elektrischen Maschinen galvanisch von den Batteriemodulen getrennt werden, sodass ein Ladebetrieb für die Batteriemodule bereitgestellt werden kann. Particularly preferably, the first and / or the at least one second battery module has a separating device which is designed to electrically isolate the first battery module from the first voltage conversion module and / or to electrically isolate the at least one second battery module from the at least one second voltage conversion module. Thus, the voltage conversion modules and thus the electrical machines can be galvanically isolated from the battery modules, so that a charging operation for the battery modules can be provided.

Es kann vorgesehen sein, dass das Spannungswandlungsmodul einen Wechselrichter aufweist, welcher drei Halbbrücken umfasst, wobei jeweils eine Halbbrücke mit einer Phase einer dreiphasigen Leitung elektrisch verbunden ist, welche mit der elektrischen Maschine verbunden ist. Falls die elektrische Maschine beispielsweise als Drehstrommotor ausgebildet ist, so kann mittels der drei Halbbrücken des Wechselrichters die Dreiphasenwechselspannung für die Versorgung des Drehstrommotors bereitgestellt werden. It can be provided that the voltage conversion module has an inverter which comprises three half-bridges, one half-bridge in each case being electrically connected to one phase of a three-phase line which is connected to the electrical machine. If the electric machine is designed, for example, as a three-phase motor, the three-phase alternating voltage for supplying the three-phase motor can be provided by means of the three half-bridges of the inverter.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Ladeeinrichtung über die erste Schalteinrichtung elektrisch mit zwei Phasen der dreiphasigen Leitung verbunden. Jede der Phasen führt zu einer Halbbrücke, wobei zwei der drei Halbbrücken einen Brückengleichrichter bilden. Dieser Brückengleichrichter dient der Gleichrichtung der Ladewechselspannung, welche von der Ladeeinrichtung bereitgestellt wird. Zur Gleichrichtung kann jede der Halbbrücken zwei Dioden aufweisen. Somit kann der Wechselrichter, welcher in einem Motorbetrieb der elektrischen Maschine eine Dreiphasenwechselspannung bereitstellt, in einem Ladebetrieb auf besonders einfache und kostengünstige Weise als Gleichrichter genutzt werden, indem die Ladeeinrichtung an den in den Wechselrichter integrierten Brückengleichrichter angeschlossen wird. Insbesondere muss kein separates Bauelement zum Gleichrichten der Ladewechselspannung vorgesehen sein. In an advantageous embodiment, the charging device is electrically connected via the first switching device with two phases of the three-phase line. Each of the phases leads to a half bridge, with two of the three half bridges forming a bridge rectifier. This bridge rectifier serves to rectify the charging AC voltage provided by the charging device. For rectification, each of the half bridges may have two diodes. Thus, the inverter, which provides a three-phase AC voltage in a motor operation of the electric machine can be used in a charging operation in a particularly simple and cost-effective manner as a rectifier by the charger is connected to the inverter integrated in the bridge rectifier. In particular, no separate component must be provided for rectifying the charging AC voltage.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. The invention also relates to a motor vehicle with at least one device according to the invention.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer Ladewechselspannung mittels einer Ladeeinrichtung, das Verbinden der Ladeeinrichtung mit der Ausgangsseite des ersten Spannungswandlungsmoduls mittels einer ersten Schalteinrichtung und das Wandeln der von der Ladeeinrichtung bereitgestellten Ladewechselspannung mittels des ersten Spannungswandlungsmoduls in eine Ladegleichspannung zum Laden des ersten Batteriemoduls. Moreover, the invention relates to a method for operating a device according to the invention. The method comprises providing a charging AC voltage by means of a charging device, connecting the charging device to the output side of the first voltage conversion module by means of a first switching device and converting the charging AC voltage provided by the charging device by means of the first voltage conversion module into a DC charging voltage for charging the first battery module.

Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren. Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels wie auch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The preferred embodiments presented with reference to the device according to the invention and their advantages apply correspondingly to the motor vehicle according to the invention and to the method according to the invention. In the following, the invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment as well as with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines Ladesystems gemäß dem Stand der Technik; und 1 a schematic representation of a charging system according to the prior art; and

2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 2 a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen aber die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar. The exemplary embodiment explained below is a preferred embodiment of the invention. In the exemplary embodiment, however, the described components of the embodiment each represent individual features of the invention, which are to be considered independently of each other, which also develop the invention independently of one another and thus also individually or in a different combination than the one shown as part of the invention. Furthermore, the described Embodiment also supplemented by further of the already described features of the invention.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2. In der Vorrichtung 2 sind alle gleichartig ausgebildeten Komponenten mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Vorrichtung 2 umfasst eine Antriebsanordnung 3, welche dazu ausgelegt sein kann, ein Kraftfahrzeug (hier nicht dargestellt) anzutreiben, sowie eine Ladeeinrichtung 10 und eine Steuereinrichtung 17. 2 shows a schematic representation of a device according to the invention 2 , In the device 2 are all identically formed components provided with the same reference numerals. The device 2 includes a drive assembly 3 , which may be adapted to drive a motor vehicle (not shown here), and a charging device 10 and a controller 17 ,

Die Antriebsanordnung 3 weist ein Batteriesystem 20 auf, welches zur Spannungsversorgung von elektrischen Komponenten 25, insbesondere elektrischen Maschinen, dienen kann. Die hier dargestellten vier elektrischen Maschinen 25 können beispielsweise Radnabenmotoren sein, wobei jeweils ein Radnabenmotor an einem der vier Räder des Kraftfahrzeugs angeordnet sein kann. Die Radnabenmotoren dienen zum Antreiben der vier Räder des Kraftfahrzeugs. Die elektrischen Komponenten 25 können aber auch andere Verbraucher des Kraftfahrzeugs sein, beispielsweise zusammen einen Motor bilden. Eine Motorsteuerung 22, die über Motorsteuerbusse 23 mit der Antriebsordnung 3 kommuniziert, dient der Steuerung, Regelung und Überwachung der Motorfunktionen. The drive arrangement 3 has a battery system 20 which is used to supply power to electrical components 25 , in particular electrical machines, can serve. The four electric machines shown here 25 may be, for example, wheel hub motors, wherein in each case a wheel hub motor can be arranged on one of the four wheels of the motor vehicle. The wheel hub motors are used to drive the four wheels of the motor vehicle. The electrical components 25 but can also be other consumers of the motor vehicle, for example together form a motor. A motor control 22 that via engine control buses 23 with the drive order 3 communicates, serves to control, regulate and monitor the engine functions.

Das Batteriesystem 20, welches insbesondere als Hochspannungsbatterie ausgebildet sein kann, umfasst eine Reihenschaltung von Batteriemodulen 21. An jedem der Batteriemodule 21 fällt eine Batteriemodulgleichspannung U_M ab. Zwischen den einzelnen Batteriemodulen 21 sind Koppeleinrichtungen 24 vorgesehen. Eine Koppeleinrichtung 24 ist dazu ausgelegt, zwei Batteriemodule 21 elektrisch zu verbinden und/oder galvanisch voneinander zu trennen. The battery system 20 , which may be formed in particular as a high-voltage battery, comprises a series connection of battery modules 21 , At each of the battery modules 21 drops a battery module DC voltage U _M. Between the individual battery modules 21 are coupling devices 24 intended. A coupling device 24 is designed to have two battery modules 21 electrically connect and / or electrically separate from each other.

Zwischen den einzelnen Batteriemodulen 21 des Batteriesystems 20 können Anschlüsse HS+, HS–, HS vorgesehen sein. Mittels der Anschlüsse HS+, HS–, HS kann an jedes Batteriemodul 21 ein Spannungswandlungsmodul 30 angeschlossen werden. Über eine Trenneinrichtung 29 können die Batteriemodule 21 wieder von den Spannungswandlungsmodulen 30 galvanisch getrennt werden. Between the individual battery modules 21 of the battery system 20 Connections HS +, HS-, HS can be provided. By means of the connections HS +, HS-, HS can be connected to any battery module 21 a voltage conversion module 30 be connected. About a separator 29 can the battery modules 21 again from the voltage conversion modules 30 be electrically isolated.

Die Batteriemodulspannung U_M eines Batteriemoduls 21 fällt nun an dem angeschlossenen Spannungswandlungsmodul 30 ab. Die Spannungswandlungsmodule 30 dienen zum Wandeln der Batteriemodulgleichspannung U_M und weisen einen Hochsetzsteller 31 sowie einen Wechselrichter 32 auf (der Übersichtlichkeit halber ist nur das unterste Spannungswandlungsmodul 30 vollständig mit Bezugszeichen versehen). The battery module voltage U _{M of} a battery module 21 now falls to the connected voltage conversion module 30 from. The voltage conversion modules 30 serve to convert the battery module DC voltage U _M and have a boost converter 31 as well as an inverter 32 (for clarity, only the lowest voltage conversion module 30 completely provided with reference numerals).

Der Hochsetzsteller 31 umfasst eine Drosselinduktivität L, einen Schalter S sowie einen Kondensator C. Der Hochsetzsteller 31 kann dazu ausgelegt sein, die Batteriemodulgleichspannung U_M in eine höhere Spannung umzuwandeln, welche als Ausgangsspannung an dem Kondensator C des Hochsetzstellers 31 anliegt. Der Wechselrichter 34, welcher dazu ausgelegt ist, die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers 31 in eine Wechselspannung, insbesondere in eine Dreiphasenwechselspannung, umzuwandeln, weist eine Schaltung aus drei Halbbrücken 33 auf, wobei zwei der drei Halbbrücken einen Brückengleichrichter 34 bilden. Der Brückengleichrichter 34 weist vier Dioden D1, D2, D3, D4 auf. Jeweils eine der Halbbrücken 33 ist mit jeweils einer Phase einer dreiphasigen Leitung 35 verbunden. An die dreiphasige Leitung 35 wird die elektrische Maschine 25 angeschlossen, welcher die von dem Wechselrichter 32 bereitgestellte Wechselspannung zugeführt wird. The boost converter 31 includes a reactor inductance L, a switch S and a capacitor C. The boost converter 31 can be designed to convert the battery module DC voltage U _M into a higher voltage, which is used as output voltage to the capacitor C of the boost converter 31 is applied. The inverter 34 , which is adapted to the output voltage of the boost converter 31 in an AC voltage, in particular in a three-phase AC voltage to convert, has a circuit of three half-bridges 33 on, wherein two of the three half bridges a bridge rectifier 34 form. The bridge rectifier 34 has four diodes D1, D2, D3, D4. In each case one of the half bridges 33 is each with a phase of a three-phase line 35 connected. To the three-phase line 35 becomes the electric machine 25 connected to that of the inverter 32 supplied AC voltage is supplied.

Zum Laden des Batteriesystems 20 wird eine Ladeeinrichtung 10 bereitgestellt, welche den in 1 beschriebenen Aufbau aufweist und eine Ladewechselspannung bereitstellt. Die Ladeeinrichtung 10 wird über eine erste Schalteinrichtung 26 mit einem, insbesondere dem ersten (obersten), der Spannungswandlungsmodule 30 verbunden. Die Schalteinrichtung 26 weist ein erstes Schaltelement IND1 und ein zweites Schaltelement IND2 auf. Die Schaltelemente IND1 und IND2 sind über die Steuereinrichtung 17, beispielsweise ein Batteriemanagementsystem, steuerbar. Das erste Schaltelemente IND1 wird derart an eine erste Phase der dreiphasigen Leitung 35 angeschlossen, dass in einer ersten Schalterposition (A) die Phase mit der elektrischen Maschine 25 verbunden ist und in einer zweiten Schalterposition (B) die Phase mit der Ladeeinrichtung 10 verbunden ist. Das zweite Schaltelement IND2 wird an eine zweite Phase der dreiphasigen Leitung 35 angeschlossen. Die zwei Phasen, welche mit der ersten Schalteinrichtung 26 verbunden werden, sind auch mit dem Brückengleichrichter 34 verbunden. Somit kann die Ladeeinrichtung 10 mit dem Brückengleichrichter 34 verbunden werden. To charge the battery system 20 becomes a charging device 10 provided in the 1 has structure described and provides a charging AC voltage. The charging device 10 is via a first switching device 26 with one, in particular the first (uppermost), the voltage conversion modules 30 connected. The switching device 26 has a first switching element IND1 and a second switching element IND2. The switching elements IND1 and IND2 are via the control device 17 , For example, a battery management system, controllable. The first switching element IND1 is thus connected to a first phase of the three-phase line 35 connected, that in a first switch position (A) the phase with the electric machine 25 is connected and in a second switch position (B) the phase with the charging device 10 connected is. The second switching element IND2 is connected to a second phase of the three-phase line 35 connected. The two phases, which with the first switching device 26 are also connected to the bridge rectifier 34 connected. Thus, the charging device 10 with the bridge rectifier 34 get connected.

Wenn sich das erste Schaltelement IND1 in der ersten Schalterposition (A) befindet und das zweite Schaltelement IND2 geöffnet ist, so wird ein Motorbetrieb der Antriebsanordnung 3 bereitgestellt. In diesem Motorbetrieb können all diejenigen elektrischen Maschine 25 mit Energie versorgt werden, deren angeschlossene Spannungswandlungsmodule 30 mittels der Anschlüsse HS+, HS–, HS mit einem der Batteriemodule 21 verbunden sind. When the first switching element IND1 is in the first switch position (A) and the second switching element IND2 is opened, motor operation of the drive assembly becomes 3 provided. In this engine operation can all those electric machine 25 be powered, their connected voltage conversion modules 30 by means of the connections HS +, HS-, HS with one of the battery modules 21 are connected.

Um nun einen Ladebetrieb für das Batteriesystem 20 bereitzustellen, kann das erste Schaltelement IND1 von der Steuereinrichtung 17 derart angesteuert werden, dass das Schaltelement IND1 die zweite Schalterposition (B) einnimmt und das zweite Schaltelement IND2 geschlossen wird. Die Ladeeinrichtung 10 ist nun mit denjenigen zwei Phasen der dreiphasigen Leitung 35 verbunden, welche mit dem Brückengleichrichter 34 des ersten Spannungswandlungsmoduls 30 verbunden sind. Außerdem wird der Schalter S des Hochsetzstellers 31 des ersten Spannungswandlungsmoduls 30 geschlossen. Now to a charging operation for the battery system 20 can provide the first switching element IND1 from the control device 17 be controlled such that the switching element IND1 occupies the second switch position (B) and the second switching element IND2 is closed. The charging device 10 is now with those two phases of the three-phase line 35 connected, which with the bridge rectifier 34 of the first voltage conversion module 30 are connected. In addition, the switch S of the boost converter 31 of the first voltage conversion module 30 closed.

Zusätzlich werden diejenigen Trenneinrichtungen 29 geöffnet, die den Anschlüssen HS zugeordnet sind. Somit sind die Anschlüsse HS, und damit die zugehörigen Batteriemodule 21, galvanisch von den Spannungswandlungsmodulen 30 getrennt, während der Anschluss HS+ elektrisch mit dem ersten Spannungswandlungsmodul 30 verbunden ist. Eine zweite Schalteinrichtung mit einem Schaltelement IND3, welches über die Steuereinrichtung 17 ansteuerbar ist, ist dazu vorgesehen, in geschlossenem Zustand das mit der Ladeeinrichtung 10 verbundene erste Spannungswandlungsmodul 30 mit dem Anschluss HS– zu verbinden. Dadurch ist das Batteriesystem 20 mit dem ersten Spannungswandlungsmodul 30 elektrisch verbunden. In addition, those separators become 29 opened, which are assigned to the connections HS. Thus, the terminals HS, and thus the associated battery modules 21 , galvanic from the voltage conversion modules 30 disconnected while connecting HS + electrically to the first voltage conversion module 30 connected is. A second switching device with a switching element IND3, which via the control device 17 is controllable, is provided in the closed state with the charging device 10 connected first voltage conversion module 30 to connect to the connection HS-. This is the battery system 20 with the first voltage conversion module 30 electrically connected.

Die Ladewechselspannung, welche von der Ladeeinrichtung 10 bereitgestellt wird, wird dem Brückengleichrichter 34 des ersten Spannungswandlungsmoduls 30 zugeführt. Die Dioden D1, D2, D3, D4 des Brückengleichrichter 34 wandeln die Ladewechselspannung in eine Gleichspannung um, welche dem an den Wechselrichter 32 des ersten Spannungswandlungsmoduls 30 angeschlossenen Hochsetzsteller 31 zugeführt wird. Der Kondensator des Hochsetzstellers 31 kann zur Siebung der Gleichspannung und die Drosselinduktivität L des Hochsetzstellers 31 zur Glättung der Gleichspannung verwendet werden. Die gesiebte und geglättete Gleichspannung wird schließlich dem Batteriesystem 20 als Ladegleichspannung zugeführt. The charging AC voltage coming from the charger 10 is provided to the bridge rectifier 34 of the first voltage conversion module 30 fed. The diodes D1, D2, D3, D4 of the bridge rectifier 34 convert the charging AC voltage into a DC voltage, which is the to the inverter 32 of the first voltage conversion module 30 connected boost converter 31 is supplied. The capacitor of the boost converter 31 can be used to screen the DC voltage and the reactor inductance L of the boost converter 31 be used for smoothing the DC voltage. The screened and smoothed DC voltage eventually becomes the battery system 20 supplied as charging DC voltage.

Zur Beendigung des Ladebetriebs wird das Schaltelement IND1 in die ersten Schalterposition (A) gebracht und das zweite Schaltelement IND2 geöffnet. To complete the charging operation, the switching element IND1 is brought into the first switch position (A) and the second switching element IND2 is opened.

Es sei hier angemerkt, dass vor allem diejenigen Spannungswandlungselemente 30, an welche die Ladeeinrichtung nicht angeschlossen wird, einen anderen Aufbau aufweisen können. So kann beispielweise vorgesehen sein, dass ein Spannungswandlungsmodul, an welches die Ladeeinrichtung nicht angeschlossen wird, lediglich einen Hochsetzsteller aufweist, welcher zur Versorgung einer DC-Last dienen kann. It should be noted here that especially those voltage conversion elements 30 to which the charging device is not connected, may have a different structure. For example, it may be provided that a voltage conversion module, to which the charging device is not connected, only has a step-up converter, which can serve to supply a DC load.

Claims

Contraption ( 2 ) for providing a charging voltage with - a first battery module ( 21 ) for providing a battery module DC voltage (U _M ) and - at least a first voltage conversion module ( 30 ) having an input side to which the first battery module ( 21 ) and an output side to which an electrical machine ( 25 ) is connectable, - wherein the first voltage conversion module ( 30 ) is adapted to that of the first battery module ( 21 ) DC battery module voltage (U _M ) provided in an AC voltage for operating the electrical machine ( 25 ), characterized by - a charging device ( 10 ) for providing a charging AC voltage and - a first switching device ( 26 ) for electrically connecting the charging device ( 10 ) with the output side of the first voltage conversion module ( 30 ), wherein - the voltage conversion module ( 30 ) is adapted to that of the charging device ( 10 ) provided in a DC charging voltage for charging the first battery module ( 21 ) to transform.

Contraption ( 2 ) according to claim 1, wherein the charging device ( 10 ) a transformer device ( 11 ), which is designed, via induction, a charging AC voltage for charging the first battery module ( 21 ).

Contraption ( 2 ) according to claim 1 or 2, wherein the first switching device ( 26 ) has at least one switching element (IND1), which is designed, in a first switch position (A) a flow of energy from the first battery module ( 21 ) to the electric machine ( 25 ) for operating the electric machine ( 25 ) and in a second switch position (B) a flow of energy from the charging device ( 10 ) to the first battery module ( 21 ) for charging the first battery module ( 21 ).

Contraption ( 2 ) according to any one of the preceding claims, wherein the device ( 2 ) a control device ( 17 ), which is adapted to drive the at least one switching element (IND1).

Contraption ( 2 ) according to any one of the preceding claims, wherein the device ( 2 ) at least a second battery module ( 21 ), to which a second voltage conversion module ( 30 ) is connectable.

Contraption ( 2 ) according to claim 5, wherein the device ( 2 ) a coupling device ( 24 ) for the serial electrical connection of the first and the at least one second battery module ( 21 ) and / or for electrically isolating the first and the at least one second battery module ( 21 ) having.

Contraption ( 2 ) according to claim 5 or 6, wherein the device ( 2 ) has a second switching device (IND3) which is designed to connect the first and the at least one second battery module (IND3). 21 ) electrically connected to the input side of the first voltage conversion module ( 30 ) connect to.

Contraption ( 2 ) according to one of claims 5 to 7, wherein the first and / or the at least one second battery module ( 21 ) a separating device ( 27 ), which is adapted to the first battery module ( 21 ) from the first voltage conversion module ( 30 ) and / or the at least one second battery module ( 21 ) of the at least one second voltage conversion module ( 21 ) to be galvanically separated.

Contraption ( 2 ) according to one of the preceding claims, wherein the voltage conversion module ( 30 ) an inverter ( 32 ), which has three half-bridges ( 33 ), wherein in each case a half-bridge ( 33 ) with a phase of a three-phase line ( 35 ) electrically connected to the electrical machine ( 25 ) connected is.

Contraption ( 2 ) according to claim 9, wherein the charging device ( 10 ) via the first switching device ( 26 ) electrically with two phases of the three-phase line ( 35 ) is electrically connected.

Motor vehicle ( 1 ) with at least one device ( 2 ) according to any one of the preceding claims.

Method for operating a device ( 2 ) according to one of the preceding claims, comprising the steps of: - providing a charging AC voltage by means of a charging device ( 10 ), - connecting the charging device ( 10 ) with the output side of the first voltage conversion module ( 30 ) by means of a first switching device ( 26 ) and - converting the from the charging device ( 10 ) provided by the first voltage conversion module ( 30 ) into a DC charging voltage for charging the first battery module ( 21 ).